考虑多指标因素的重力坝抗震安全评价方法研究

　　摘要：采用振型分解反应谱法和时程法，得到了某碾压混凝土重力坝的线性、非线性地震响应。针对重力坝的结构特点，提出从坝体拉应力区分布、抗滑稳定性、材料强度、塑性区扩展及坝体需求能力比与超应力累积持时等方面综合评价大坝的抗震安全性能，为大坝的防震抗震工作提供参考。根据综合评价结果，初步认为在新的地震动校核参数作用下，该大坝结构可能受到低至中等破坏局部开裂，结果符合“设计可修复，校核不溃坝”这一抗震复核目标。

　　关键词：水工结构;混凝土重力坝;抗震安全复核;校核地震;极限抗震能力

　　引言

　　2008年5月12日中国四川汶川地区发生里氏震级达8级，地震烈度达11度的特大地震，对震区水电工程造成了极大影響。不少地区地震烈度远超中国现行地震烈度区划图的设防水准。例如汶川县草坡河的沙牌混凝土拱坝，按照2001年国家地震烈度区划图，坝址区地震基本烈度为7度，以50年超越概率10%的基岩水平峰值加速度137.5gal作为大坝设防标准。而此次地震坝址区位于8度与9度的交界区，基岩峰值加速度也几倍于上述设计值(仪器测得最大峰值加速度为950.51gal，出现在汶川县卧龙台，距坝区30公里左右)。还有设防烈度为8度的紫坪铺电站，此次地震却经历了近10度的考验。由此可见，地震具有极大的不确定性，倘若对重要水工建筑物造成严重破坏，将引发重大次生灾害，给下游人民生命财产和社会经济发展带来巨大威胁。

　　因此，“5.12”汶川大地震后，大坝抗震安全受到社会各界和坝工界的高度重视。为做好水电工程防震抗震工作，提高水电工程的防震抗震能力，水电水利规划设计总院在总结国内外经验和听取专家建议的基础上，制定了《水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定》，颁布了新的水工建筑物抗震设计规范(2015年)。给出了新的水电工程地震设防标准，并明确提出对重大工程的挡水建筑物应分析校核地震工况下的结构整体稳定性，对高烈度区、失事后可能产生严重次生灾害的特别重要的挡水建筑物，还应研究极限抗震能力和地震破坏模式。

　　鉴于目前还没有统一的重力坝抗震安全复核评价方法，本文依据新核定的地震等级参数，采用振型分解反应谱法和时程法，在线性、非线性地震响应的基础上，提出从坝体拉应力区范围、稳定性、强度校核、塑性区扩展范围和坝体需求能力比与超应力累积持时等多角度综合分析。对某电站壅水结构及重要的非壅水结构进行抗震复核和抗震安全性评价，为重力坝的防震抗震工作提供有益参考。

　　1抗震安全复核方法及评价模型

　　由于地基岩体的非连续性、材料参数的各向异性和各种因素的不确定性，对大坝遭受极端地震作用下的失效模式和破坏机理认识还不够充分。所采用的各种数学模型、破坏准则也不具有较好的普适性，因此，大坝抗震安全的评价是一个复杂问题，如何结合中国抗震设计规范进行复核分析和评价，目前还没有一个明确的方法和统一的标准。对于该问题的研究，金峰等从校核地震工况的基本概念出发，按照校核地震下“不溃坝”这一复核目标，提出了一套简化的计算方法。此法认为着眼点不应该是强度校核，而是整体稳定性。要分阶段、分步骤逐步深人复核，当强度不满足要求时，进行非线性动力计算，而且计算方法和模型宜尽量简单;出现贯穿性开裂时，再对孤立体的稳定性进行计算;整体失稳后对水库发生无法控制下泄的后果进行专题评估。

　　1.1多指标的综合评价标准

　　陈厚群等研究表明，考虑地基岩体的损伤特性才能更合理地反映坝体一地基动态相互作用对坝体地震损伤的影响。因此地基一坝体系统的稳定、坝体的开裂破坏和丧失蓄水能力是决定大坝安全的关键和主要因素，任何一个关键性能的破坏都会直接影响到坝体的正常运行，抗震能力的评价需从多角度综合分析。例如，张社荣等从收敛性、塑性区贯通、坝体破坏模式、需求能力比与超应力累积持时等多方面出发，对重力坝基于性能的极限抗震能力进行了探讨。赵剑明等从变形、稳定性和防渗体安全方面对深厚覆盖层上土石坝的极限抗震能力进行了分析。李德玉、张伯艳等采用动力非连续方法，从缝面开合度、开裂范围等方面研究了官地、小湾等电站的抗震稳定性。本文在线弹性振型分解反应谱法和线性、非线性时程分析的基础上，从拉应力区范围(P1)、稳定性(P2)、强度校核(P3)、塑性区破坏范围(P4)和坝体需求能力比与超应力累积持时(P5)等角度，对重力坝校核地震工况的抗震能力进行综合复核。从风险角度出发，定义大坝的极限抗震能力为

　　坝体需求能力比(RDc，Ratio of Demand-Capac-ity)定义为坝体拉应力与混凝土抗拉强度的比值，超应力累积持时为大于抗拉强度的坝体拉应力的累积持时。根据Ghanaat以及沈怀至等对混凝土坝破坏等级的划分，以12时，为严重损伤破坏，如图1所示。

　　1.2动力计算方法

　　考虑竖向地震作用(按水平向的2/3折减)。进行反应谱法分析时采用SRSS方法组合各阶振型对应的响应。最后，按照最不利情况，将动力分量作为正值直接与静力结果进行叠加。根据“暂行规定”和相关规范对该电站新核定的地震动参数和相应反应谱参数、谱曲线如表1和图2所示。

　　考虑到地震作用的随机性，分别选用1988年云南澜沧一耿马地震时，坝址区和竹塘地震站实测到的两条当地加速度时程，以及1967年印度Koyna重力坝遭受地震时的强震记录进行动力分析。综合考虑地震波采样频率与高阶模态振动周期的影响，取时问步长△t=0.02s。其加速度时程如图3所示。

　　目前边界条件的考虑大体有三种：考虑地基辐射阻尼、无质量地基模型和模拟无限地基有限元模型。一般为了更真实地反映结构的地震响应，需要在模型的截断边界上加入吸入边界，由此模拟远端地基辐射阻尼对结构响应的影响，此时地基辐射阻尼和材料阻尼的选取应综合考虑，以免重复计算阻尼。在频域方面的处理方法有无穷元一有限元耦合法、边界元以及边界元一有限元耦合法和有限元一边界元一无穷元耦合法等。时域方面的处理方法主要有弹簧一阻尼边界。此外还有比例边界元、阻尼抽取法等。无质量地基模型由于不考虑地基辐射阻尼效应的影响，使结构响应偏大，低估重力坝的抗震安全度。当条件允许时，可考虑模拟无限地基的有限元模型。由于本文为结合实际工程的复核，鉴于无质量地基模型的保守性，所以在静力分析时，基岩自重按初始地应力场的方式考虑，而动力计算时按Clough的无质量地基模型考虑。

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文章名称： 考虑多指标因素的重力坝抗震安全评价方法研究

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